网上已有相关讲解，对协议分析得很详细，记录学习一下备用，原blog地址见末尾。
MQTT 3
MQTT 3 （当前版本3.1.1）是目前使用的最为广泛的MQTT协议标准。尽管MQTT5标准已经发布，并且带来了一些令人振奋的新特性，但是在整个应用场景上，从后台服务到消息中间件再到客户端SDK等环节上的产品升级并没有都完成，再加上既有部署的维护，业界从版本3到5的过渡可能会持续相当长一段时间，所以，对于刚加入物联网行业的生力军来说，现在来学习MQTT 3依然是一件很有意义的事情。
MQTT协议的工作方式
在一个QMTT协议中有三个角色会参与到整个通信过程，发布者（publisher）、代理（broker）和订阅者（subscriber）。有别于传统的客户端/服务器通讯协议，MQTT协议并不是端到端的，消息传递通过代理，包括会话（session）也不是建立在发布者和订阅者之间，而是建立在端和代理之间。代理解除了发布者和订阅者之间的耦合。
除了发布者和订阅者之间传递普通消息，代理还可以为发布者处理保留消息和遗愿消息，并可以更改服务质量（QoS）等级。
MQTT控制报文
MQTT协议工作在TCP之上，端和代理之间通过交换预先定义的控制报文来完成通信。MQTT报文有3个部分组成，并按下表顺序出现：
| 固定报头（fixed header） | 可变报头（variable header） | 荷载（payload） |
|---|---|---|
| 所有报文都包含 | 部分报文包含 | 部分报文包含 |
所有的MQTT控制报文都有一个固定报头，期格式如下：
协议版本3定义了14种MQTT报文，用于建立/断开连接、发布消息、订阅消息和维护连接。固定报头的第一字节的4-7位的值指定了报文类型，其取值如下表。0和15为系统保留值；0-3位为标志位，依照报文类型有不同的含义，事实上，除了PUBLISH报文以外，其他报文的标志位均为系统保留。如果收到报文的标志位无效，代理应断开连接。
| 报文类型 | 值 | 描述 |
|---|---|---|
| CONNECT | 1 | 客户端向代理发起连接请求 |
| CONNACK | 2 | 连接确认 |
| PUBLISH | 3 | 发布消息 |
| PUBACK | 4 | 发布确认 |
| PUBREC | 5 | 发布收到（QoS2） |
| PUBREL | 6 | 发布释放（QoS2） |
| PUBCOMP | 7 | 发布完成（QoS2） |
| SUBSCRIBE | 8 | 客户端向代理发起订阅请求 |
| SUBACK | 9 | 订阅确认 |
| UNSUBSCRIBE | 10 | 取消订阅 |
| UNSUBACK | 11 | 取消订阅确认 |
| PINGREQ | 12 | PING请求 |
| PINGRESP | 13 | PING响应 |
| DISCONNECT | 14 | 断开连接 |
固定报头的第二字节起表示报文的剩余长度。最大4个字节，每字节可以编码至127，并含有一位继续位，如继续位非0，则下一字节依然为剩余长度。由此，理论上一个控制报文最长可以到256MB。
一些报文在固定报头和荷载之间可以有一个可变报头。可变报头的内容根据报文类型不同而不同。最常见的可变报头是报文标识符（PacketIdentifier）。
一些报文可以在最后携带一个荷载。不同的报文可以无荷载，可选荷载，或必须带有荷载。
CONNECT报文
CONNECT是客户端连接到代理的第一个报文，如果在连接已经存在，代理收到该报文将会断开现有连接。
CONNECT报文的固定报头
CONNECT报文的可变报头
CONNECT报文的可变报头由4部分组成：
- 协议名。协议名是UTF-8编码的大写的MQTT。
- 协议级别。MQTT 3.1.1的协议级别为4.
- 连接标志位。定义连接行为的参数。见下表。
- Keep Alive。2字节，客户端和代理之间的无活动时间超过该值后，应关闭连接。如果该值置0表示客户端不要求代理启用KEEPALIVE功能。
连接标志位：
| 位 | 7 | 6 | 5 | 4 | 3 | 2 | 1 | 0 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 用户名 | 密码 | 保留遗愿 | 遗愿QoS | 遗愿QoS | 遗愿 | 清除会话 | 保留（0） |
清除会话标志位：
这个标志位定义了如何处理会话状态。如果设置为0，客户端和代理可以恢复上一次连接时的会话状态，如果上一次连接的会话状态不存在，代理将会为客户端建立一个新的会话。如果该位设置为1，则双方将清除掉上一次连接的会话状态并建立一个新的会话。
遗愿标志位：
如果遗愿标志为1，则遗愿消息会被存储在代理上，当连接关闭时，代理将发布这个消息，除非在客户端断开连接时把遗愿消息清除了。
遗愿QoS标志位：
指定了遗愿消息的服务质量等级。
保留遗愿消息标志位：
指定在发布遗愿消息的时候，是否把该消息作为保留消息存储在代理。
用户名标志位：
如果设置为1，则用户名必须出现在荷载中，反之，用户名不允许出现在荷载中。
密码标志位：
如果该位为1，则密码必须出现在荷载中；如果该位为0，则密码不允许出现在荷载中。如果用户名标志位为0，则该位必须也为0。
CONNECT报文的荷载
CONNECT报文的荷载由一个或者多个字段组成，这些字段是否出现由可变报头中的标志位决定。字段总是以长度开始。字段出现的顺序必须是：客户端标识符，遗愿主题，遗愿消息，用户名，密码。
CONNECT报文的响应
在代理在为MQTT协议开放的端口上接收到TCP连接请求并建立连接后应该会收到CONNECT报文，如果在一定时间内代理没有收到CONNECT报文，则应该关闭这个TCP连接。
在收到CONNECT报文后，代理应该检查报文格式是否符合协议标准。如果不符合协议标准，代理应关闭连接，且不发送CONNACK报文给客户端。
代理可以检查CONNECT报文的内容并执行响应的认证和鉴权。如果这些检查没有通过，代理应该向客户端发送一个带有非0返回码的CONNACK报文。
CONNACK报文
CONNACK是代理用来响应客户端CONNECT的报文。代理向客户端发送的第一个报文必须是CONNACT。CONNACK有一个固定报头，一个可变报头，但是不带有荷载。
CONNACK的固定报头
CONNACT报文只有固定报头和一个2字节的可变报头，所以它的剩余长度总是2。
CONNACK报文的可变报头
CONNACK报文的可变报头为定长2字节。第一字节的0位表示是否有会话存在。如果代理上已经有请求连接的客户端的会话，且连接请求的清除会话标识为0，则该位为1，否则该位为0。客户端可以根据这一位的值采取响应行为，比如（重新）订阅主题等。
CONNACK报文的可变报头的第二字节为返回码。如果CONNECT请求的格式正确，但是代理依然不能允许客户端连接，则返回码为一个非零值。如果连接成功，则返回0。
返回码的定义：
| 值 | 返回码含义 |
|---|---|
| 0 | 成功，连接请求被接受。 |
| 1 | 拒绝连接，不可接受的协议版本。 |
| 2 | 拒绝连接，不被允许的身份识别符（Client Identifier）。 |
| 3 | 拒绝连接，服务器不可用。 |
| 4 | 拒绝连接，无效的用户名和密码。 |
| 5 | 拒绝连接，客户端无授权。 |
| 6-255 | 系统保留。 |
客户端接受到代理的CONNACK的返回码为0，则连接建立完成，双方可以开始通信。
清除会话、保留消息和QoS的组合
清除会话、保留消息等概念，在传统的客户端/服务器方式的通信中不一定会出现，这些概念有时候不太容易理解，特别是当他们被组合起来用的时候。
下面的表格汇总了当一个客户端连接上来时，它能收到消息的各种情况。
| 清除会话位 | 保留位 | 订阅QoS | 发布QoS | 可收到的消息 |
|---|---|---|---|---|
| Y | N | 0 | 0 | N |
| Y | N | 0 | 1 | N |
| Y | N | 1 | 0 | N |
| Y | N | 1 | 1 | N |
| N | N | 0 | 0 | N |
| N | N | 0 | 1 | N |
| N | N | 1 | 0 | N |
| N | N | 1 | 1 | Y，会话全部消息 |
| Y | Y | 0 | 0 | Y，最后一条消息 |
| Y | Y | 0 | 1 | Y，最后一条消息 |
| Y | Y | 1 | 0 | Y，最后一条消息 |
| Y | Y | 1 | 1 | Y，最后一条消息 |
| N | Y | 0 | 0 | Y，最后一条消息 |
| N | Y | 0 | 1 | Y，最后一条消息 |
| N | Y | 1 | 0 | Y，最后一条消息 |
| N | Y | 1 | 1 | Y，会话全部消息 |